MCQUIC: Ein neuer Weg für Multicast-Lieferung

Live-Events wie die Weltmeisterschaft, der Super Bowl und die Olympischen Spiele ziehen Millionen Zuschauer an. Früher haben viele Leute diese Events im Fernsehen geschaut, aber mittlerweile gehen immer mehr Zuschauer ins Internet. Dieser Wandel bringt ein Problem mit sich: Die aktuellen Methoden zur Inhaltsverteilung, bekannt als Unicast-Übertragung, sind ineffizient und verursachen zusätzliches Arbeit für das Netzwerk. Eine Alternative ist die MultiCast-Übertragung, die Daten gleichzeitig an mehrere Nutzer sendet. Allerdings stehen bestehende Multicast-Lösungen vor Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf Sicherheit und Privatsphäre.

In diesem Artikel wird eine neue Methode zur Verbesserung der Multicast-Übertragung mit QUIC vorgestellt, einem Transportprotokoll, das immer beliebter wird. Diese neue Erweiterung, genannt MCQUIC, hat das Ziel, die Multicast-Übertragung für Live-Streaming einfacher und sicherer zu machen.

#Warum Multicast wichtig ist

Ein grosser Teil des aktuellen Internetverkehrs stammt von vielen Nutzern, die zur gleichen Zeit auf dieselben Inhalte zugreifen. Bei der Unicast-Übertragung bekommt jeder Nutzer seinen eigenen separaten Datenstream, was verschwenderisch sein kann. Zum Beispiel, während eines Live-Sportereignisses erhält jeder Zuschauer die gleiche Übertragung, was dazu führt, dass dieselben Daten mehrfach über das Netzwerk gesendet werden.

Die Nutzung von Multicast-Übertragung würde dieses Problem lösen. Statt die gleichen Daten mehrfach zu senden, erlaubt Multicast, dass ein einziger Stream alle Zuschauer erreicht, die zuschauen wollen. Das würde die Last auf das Netzwerk verringern, insbesondere auf Server, die Inhalte liefern, und Internet-Service-Provider (ISP)-Netzwerke.

Nehmen wir das Beispiel eines 4K-Livestreams. Er hat eine Bitrate von etwa 40 Mbps. Wenn 6,25 Millionen Leute gleichzeitig zuschauen, würde das die Bandbreite eines grossen Content-Delivery-Networks wie Akamai vollständig ausschöpfen. Das ist ein kleiner Teil der Zuschauer bei grossen Events, was die Unicast-Übertragung unhaltbar macht.

Auf der anderen Seite entstehen auch durch das Herunterladen von Spielen massive Verkehrsspitzen. Zum Beispiel, als GTA V erstmals veröffentlicht wurde, wurden am ersten Tag über 11 Millionen Exemplare verkauft. Die Grösse der Spieldatei könnte Stunden zum Herunterladen benötigen, insbesondere wenn viele Spieler gleichzeitig herunterladen wollen. Multicast-Übertragung könnte diese Belastungen während solcher Ereignisse mildern.

#Aktuelle Herausforderungen mit Multicast

Obwohl Multicast nützlich ist, hat es Einschränkungen, insbesondere wenn es um Kommunikation geht, die über ein einzelnes Netzwerk hinausgeht. Es gibt ein Multicast-Rückgrat, genannt MBONE, aber die meisten ISPs deaktivieren es. Das liegt zum Teil an Sicherheitsbedenken und zum Teil daran, dass es nicht viele gute Anwendungen dafür gibt.

Jüngste Verbesserungen, wie die Abschaffung einer älteren Methode für Multicast und die Einführung von BIER (Bit Index Explicit Replication), haben es einfacher gemacht, Multicast-Pakete zu handhaben. Es gibt auch eine neue Methode namens automatisches Multicast-Tunneling (AMT), die hilft, Netzwerke zu verbinden, die kein natives Multicast unterstützen.

Dennoch gibt es immer noch eine grosse Lücke bei der Nutzung von Multicast-Übertragungen auf Endgeräten, insbesondere in Browsern. Die meisten heutigen Browser sind darauf ausgelegt, die Sicherheit und Privatsphäre der Nutzer zu schützen, was die Nutzung grundlegender Multicast-Protokolle erschwert.

#Vorstellung von MCQUIC

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, bietet MCQUIC eine Erweiterung, die auf dem QUIC-Protokoll basiert. QUIC wird bereits in vielen beliebten Browsern häufig genutzt. Es hat Funktionen wie eingebaute Verschlüsselung und die Fähigkeit, mehrere Datenströme zu verwalten, was es effektiver macht als ältere Transportmethoden wie TCP.

MCQUIC konzentriert sich darauf, Multicast-Inhalte sicher und effizient zu liefern. Es ermöglicht die Multicast-Übertragung, während sichergestellt wird, dass die Pakete verschlüsselt und auf Integrität überprüft werden. Wenn Multicast vom Netzwerk nicht unterstützt wird, kann es automatisch auf Unicast umschalten.

#Was MCQUIC macht

MCQUIC ermöglicht es Webanwendungen, mit minimalen Änderungen die Multicast-Übertragung zu nutzen. Das macht es Entwicklern einfacher, das zu übernehmen. Es bietet auch wichtige Lösungen für kritische Herausforderungen:

1. Verhinderung von Paket-Injection: Dritte können keine Pakete in einen Multicast-Stream einfügen, was den gelieferten Inhalt schützt.

2. Sicherheit und Privatsphäre: Nutzer können darauf vertrauen, dass die Multicast-Inhalte sicher sind. Die Einrichtung ermöglicht eine klare Verifizierung des Absenders.

3. Fallback auf Unicast: Wenn ein Netzwerk Multicast nicht unterstützt, können Anwendungen nahtlos auf die Unicast-Übertragung umschalten, ohne Daten zu verlieren.

#Anwendungsfälle für MCQUIC

Ein bedeutender Anwendungsfall für MCQUIC ist das Live-Medien-Streaming über Webbrowser. Wie erwähnt, wenden sich immer mehr Leute von traditionellem Fernsehen ab, um Live-Events online zu schauen. In den USA wird erwartet, dass die Zahl der digitalen Zuschauer für Live-Sportübertragungen in den kommenden Jahren erheblich steigen wird.

Viele Zuschauer nutzen Webbrowser oder browserbasierte Apps auf Geräten wie Smart-TVs. Da die meisten Browser keinen direkten Weg unterstützen, um UDP (ein Protokoll, das von vielen Multicast-Systemen genutzt wird) zu handhaben, hat traditionelles Multicast nicht gut funktioniert.

Die Verwendung von HTTP-Anforderungsmethoden, die im Web üblich sind, ist für Multicast ebenfalls nicht effizient, da jedes Video-Segment eine separate Anfrage benötigt. Stattdessen zielt MCQUIC darauf ab, WebTransport zu verwenden, ein Protokoll, das es Servern ermöglicht, Daten an Browser zu senden, ohne zuerst auf eine Anfrage zu warten.

#Wie MCQUIC funktioniert

In einem MCQUIC-Setup reisen grosse Datenpakete, wie Videoinhalte, über einen Multicast-Kanal. Das bedeutet, dass Server sie nur einmal senden müssen. Andere Daten, wie Benutzersteuerungsmeldungen oder Bestätigungen, verwenden weiterhin Unicast-QUIC-Verbindungen. Diese Trennung hilft, die Last auf Servern und Netzwerken zu verringern.

Wenn ein Zuschauer den Zugang zu Multicast verliert, kann der Server das erkennen und für diesen Zuschauer auf Unicast umschalten. So können Zuschauer alle Daten erhalten, unabhängig davon, auf welchem Netzwerk sie sich befinden.

#Entwurfsmerkmale von MCQUIC

MCQUIC hat ein einfaches Design:

1. Unicast-Verbindung: Der erste Schritt besteht darin, eine standardmässige Unicast-QUIC-Verbindung herzustellen, die den anfänglichen Handshake und Sicherheitsmassnahmen behandelt.

2. Multicast-Kanäle: Clients können Multicast-Kanäle beitreten, die vom Server erstellt wurden, wodurch sie simultan gemeinsam genutzte Daten empfangen können.

MCQUIC führt neue Frames ein, um diese Verbindungen und Kanäle effizient zu verwalten. Zum Beispiel ermöglicht der MC ANNOUNCE-Frame den Servern, Informationen über verfügbare Multicast-Kanäle an die Clients zu senden.

#Sicherheitsmassnahmen in MCQUIC

Ein Hauptaugenmerk von MCQUIC liegt auf der Sicherheit. Es stellt sicher, dass Multicast-Inhalte mit denselben Methoden wie Unicast-Verbindungen geschützt sind. Die Schlüssel, die zur Verschlüsselung verwendet werden, werden sicher verteilt, wodurch es Angreifern schwerer fällt, auf die Daten zuzugreifen.

Darüber hinaus ermöglicht MCQUIC den Clients zu überprüfen, ob die Pakete, die sie empfangen, legitim sind. Jedes Paket enthält einen Hash zur Verifizierung. Das bedeutet, dass Nutzer darauf vertrauen können, dass die Inhalte, die sie über Multicast erhalten, nicht manipuliert wurden.

#Umgang mit Netzwerkbeschränkungen

Viele Netzwerke unterstützen kein Multicast, daher sind Fallback-Optionen wesentlich. MCQUIC schaltet automatisch auf Unicast um, wenn Multicast nicht verfügbar ist. Dieser Übergang ist so gestaltet, dass er nahtlos erfolgt, was bedeutet, dass Anwendungen nur die gelieferten Daten sehen, unabhängig von der zugrunde liegenden Transportmethode.

Clients setzen auch bestimmte Grenzen basierend auf ihren Netzwerkbedingungen und informieren den Server über ihre maximalen zulässigen Datenraten. Dadurch wird ein optimiertes Erlebnis ermöglicht, das sicherstellt, dass Nutzer nur so viele Daten erhalten, wie sie verarbeiten können.

#Zukünftige Möglichkeiten mit MCQUIC

MCQUIC öffnet Türen für verschiedene zukünftige Entwicklungen. Durch die Ermöglichung von Multicast für Webinhalte ebnet es den Weg für weitere Fortschritte in der Streaming-Technologie. Ein potenzielles Forschungsfeld ist, wie man Leistungsdaten von Multicast-Empfängern sammeln kann, um das Kanalmanagement zu optimieren.

Darüber hinaus könnte diese Technologie eine Neubewertung anderer Strategien ermöglichen, die zuvor als ineffizient für Unicast angesehen wurden, wie z.B. skalierbare Video-Codierung. Das könnte zu noch besseren Erlebnissen bei der Inhaltsverteilung führen.

#Fazit

MCQUIC ist eine innovative Erweiterung, die die Multicast-Übertragung ins Web bringt und bedeutende Herausforderungen bei der sicheren und effizienten Inhaltsverteilung angeht. Durch die Nutzung der Möglichkeiten von QUIC und die Gewährleistung eines robusten Schutzes gegen häufige Probleme bietet es eine leistungsstarke Lösung für die wachsende Nachfrage nach Live-Streaming und anderen Multimedia-Inhalten.

Da das Internet weiterhin evolviert, zeigt MCQUIC vielversprechendes Potenzial für zukünftige Entwicklungen, die die Nutzererfahrungen in verschiedenen Bereichen, insbesondere im Bereich Live-Medien, verbessern könnten. Das Potenzial für Skalierbarkeit und Sicherheit macht es zu einem bemerkenswerten Fortschritt in den Transportprotokollen.